毫米波雷达天线布局设计指南

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毫米波雷达角度维性能(包括方位角性能以及俯仰角性能)一直是让算法工程师最操心的环节之一,处理得好,就是产品的核心卖点之一,甚至成为核心技术竞争力;处理得不好,即便东西卖出去,也少不了客户不间断随机问候。
事实上,角度维性能影响因素太多了,包括但不限于天线设计,天线布局设计,通道校准与补偿,角度自校准,温度影响补偿,DoA算法等等,哪怕有一块做得不够透彻,都会成为雷达产品的短板。
 
这一期加餐聚焦于雷达布局设计。
 
既然讲到布局,已经默认的前提是MIMO雷达,MIMO雷达有什么好处,可以考古往期文章:
 
那么我们讲MIMO雷达的天线布局问题。
 
基本的,我们需要考虑3条原则
 
确定方位及俯仰功能(功能层面);
 
确定方位及俯仰孔径(性能层面);
 
方位及俯仰无模糊;
 
功能层面得按功能定义,如果雷达需要俯仰维度,那布局设计中需要考虑用于俯仰测角的阵元。定义好功能,也就是确定雷达在角度维能干什么,是只能测方位角还是方位俯仰一锅端。
 
确定好能干什么之后,下面就要考虑能不能干好的问题,也就是关注方位和俯仰的性能,那最佳的状态就是:理论上±90度范围内无模糊测角,且在该范围内获得方位及俯仰尽可能高的分辨率及精度。
 
当然,这是美好的期望状态,实际工程中几乎是达不到的,不过也没必要达到,因为在车载领域,我们还有一些不错的合理假设帮我们做取舍,
 
方位角的性能重要程度要高于俯仰角;
 
俯仰角通常具有远小于方位角的FoV;
 
对于第1条假设,给我们的启示是,我们可以偏心得讲更多的阵元资源(甚至全部阵列资源)导向方位维度,俯仰维度不愿意不开心也莫得办法。
 
对于第2条假设,给我们的启示是,俯仰维度可能容忍一定的角度模糊度,这样,我们可以在俯仰维度可以设计更高的垂直孔径,从而在相当有限的俯仰阵列资源下获得更高的俯仰估计性能。
 
基于3条原则,2条假设,我们由浅入深看一些有意思的例子,看看实际工程中大家是如何思考问题的。
 
3T4R 基础布局
 
▲ 3T4R 基础布局
 
如图所示,对于3TX4RX的情况,给出了两种基础布局。先看右边的布局,这是狠心抛弃俯仰,全部押注方位的下场,并且,天线布局中天线间隔为二分之一波长,也不用担心模糊问题。可以说,这是最普遍的,最经典也是最基础的3TX4RX布局。
左边的图是引入了俯仰,也即是将其中一根发射天线用于俯仰,使得方位角性能瞬间打回2TX4RX状态,俯仰获得了两个阵元,能够进行Monopulse 俯仰估计,坦率讲,这两个阵元也是捉襟见肘,不过有总比没有好啊。
 
这两种经典布局目前是最普遍的,用的也是最多的,而且性能是比较稳定的,算法上的要求也不高,但是如前所述,这是基础布局,还有提升空间,比如在收发阵列数目不变的条件下,进一步提高阵列孔径,获得更高的方位及俯仰估计性能。
 
你是不是经常看到Continental, BOSCH,Hella等等大厂的雷达有各种3TX4RX的奇怪布局,那些唬人的布局都是在2条假设下,更好的贯彻那3条设计原则。下面跟随我的脚步看看大厂又有哪些骚操作。
 
需要指出哈,以下评述的所有策略及方法仅供学习参考,并不代表大厂的最终实际产品算法部署。
 
Hella SRR
 
这是Hella最新的SRR,77GHz,NXP的前端,不过Hella配置为2TX4RX,布局很有意思,物理布局以及虚拟阵列布局示意图如下,
 
Hella SRR Antenna Layout
 
▲ Hella SRR Antenna Layout
 
右下角是等效天线布局,其中“x”位置为阵元缺失位置,乍一看有点摸不着头脑,这都是啥?稀疏阵列?稀疏面阵?
 
别慌,在2条假设的前提下,这都可以用3条原则解释。
 
显然,Hella的这个布局包含方位及俯仰感知;
 
水平孔径有9个单位,垂直孔径有3个单位;
 
水平孔径阵元间隔大于半波长,可能需要解角度模糊;
 
按照2TX4RX的经典布局,最多只能获得8个单位的方位孔径,没有俯仰,那Hella的亮点在于在俯仰上尽然安排了3个阵元,这是3TX4RX都不敢想的,好奢侈,不过这是有代价的,代价有两点,
 
水平虽然孔径为9个单位,但是阵列稀疏,需要特殊DoA算法配合;
 
垂直阵列并不在一条垂直线上,需要方位去耦;
 
Hella SRR Beamformer
 
▲ Hella SRR Beamformer
 
上述特殊的DoA算法不止一种,这里给出其中一种我的思考。
 
这是一种多波束赋形策略,如上图,配合Beamformer 1-4,就能够得到方位及俯仰高精度估计。
 
其中Beamformer 1是孔径最大,角度估计精度最高,不过角度模糊,需要解模糊。
 
其中Beamformer 2是可以用来测俯仰角,也可以用来降低Beamformer1的角度模糊数。
 
Beamformer 3垂直测量俯仰角(方位补偿后)。
 
Beamformer 4用来解方位模糊。
 
小结,Hella的这个布局还是很有意思的,在2TX4RX条件下,保证方位估计精度(9个单位)条件下,俯仰维度竟然有3个阵元,amazing,不过话说回来这种方式对SNR要求会高一些。
 
Veoneer SRR
 
veonner的SRR,77GHz,3TX4RX,阵元物理布局以及虚拟阵列如下图。
 
veonner SRR Beamformer
 
▲ veoneer SRR Antenna Layout
 
同样的,
 
显然,这个布局包含方位及俯仰感知;
 
水平孔径有13个单位,垂直孔径有2个单位;
 
水平孔径阵元间隔大于半波长,可能需要解角度模糊;
 
veoneer SRR Antenna Layout
 
▲ veonner SRR Beamformer
 
veoneer这个布局分析和hella的差不多,我给出的一种DoA策略如上图所示,亮点在于能够获得经典3TX4RX的同等方位估计精度条件下,获得俯仰角估计。虽然俯仰只有两个阵元,不过还不错,总比没有好。
 
Continental MRR
 
Continental MRR,77GHz,3TX4RX,阵元物理布局以及虚拟阵列如下图。
 
Continental MRR Beamformer
 
▲ Continental MRR Antenna Layout
 
同样的,
 
显然,这个布局包含方位及俯仰感知;
 
水平孔径有31个单位,垂直孔径有2个单位;
 
水平孔径阵元间隔大于半波长,需要解角度模糊;
 
Conti的这个布局也很精妙,首先方位水平孔径相当大,好处当然是获得较高的方位估计精度及分辨率,但是模糊度很高,必须有解模糊策略。
俯仰中规中矩,2个阵元。
 
Continental MRR Antenna Layout
 
▲ Continental MRR Beamformer 
 
同样的,我给出的一种DoA策略如上图所示,从上至下,依次是Beamformer 1,2,3。
Beamformer1用于获得方位角度的模糊估计,Beamformer2用于测俯仰角,Beamformer3用于解方位角模糊。
 
ZF MRR
说了这么多,来,该你发挥了,留个小作业,下图是ZF的MRR,77GHz,3TX4RX,物理布局和虚拟阵列布局我帮你画好了,对照那3条准则,你可以思考下,
 
这个阵列有什么优势?
 
水平及俯仰能够获得什么样的精度?
 
尝试给出一种DoA策略
 
ZF MRR Antenna Layout
 
▲ ZF MRR Antenna Layout
 
小结
 
可能你也注意到了,大厂的阵列基本都是稀疏的,目的都是为了提高角度估计精度,稀疏有稀疏的代价,但是都是可以通过合适的DoA策略加以解决,所以总的来讲,这样的代价很值得,能够在有限的资源下,挖掘更多潜能。
 
另外需要注意的是,如前所述,大厂的这些布局方式无一例外都需要高信噪比做支撑,至少比经典布局有着更高的信噪比要求,这就要求硬件达到达到相当水平,这不正是这些大厂擅长的吗,你看,博世大陆雷达为什么好,这也是一个点。真是环环相扣,任重道远啊。
 
这些大厂的布局设计真的有很多思考在其中,很值得深挖。我也只是抛砖引玉罢了,这些都是艺术品了,得多看多想几遍,有能力的,给出一些数学上的支撑,那就更好了。
 
想必也看到了,这期是单芯片雷达,主要是3TX4RX,主要针对的也是传统的4D雷达(注意,不是4D成像雷达),4D成像雷达的布局将更加复杂,但万变不离其宗,始终还是围绕那3条原则来的,我几乎可以肯定你们在期待4D成像雷达的布局分析,随机留到下次吧。
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